基于GEOPAK Site三維場地設計在浯溪口水利樞紐中的應用

翁發根

(江西省水利規劃設計研究院，南昌 330029)

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基于GEOPAK Site三維場地設計在浯溪口水利樞紐中的應用

翁發根

(江西省水利規劃設計研究院，南昌 330029)

在水利水電工程設計中，開挖圖的繪制往往較為繁雜，采用常規的平面CAD 繪圖軟件進行設計，難以準確表達設計成果。GEOPAK Site是一套動態的專門場地三維設計軟件，其模塊用來實現現場地的開挖與回填設計。基于GEOPAK Site 三維場地設計軟件對浯溪口水利樞紐進行三維開挖輔助設計，取得了良好效果，其經驗可供類似工程參考。

水利水電工程；開挖圖；GEOPAK Site；浯溪口水利樞紐

0　引　言

工程設計中場地設計是一個繁瑣復雜的過程，即使在常規二維設計過程中借助于ZDM 等相關專業制圖插件，清楚的表達場地開挖與回填情況也不是十分容易點。對于具有復雜地形的水利樞紐工程來說，開挖圖的設計很大程度上取決于設計工程師的三維空間想象能力，加之重復的計算和制圖，使得場地開挖圖設計成為工程設計的一個難題，繪制常規開挖圖耗時耗力，而且容易出錯。此外，常規二維開挖圖在設計意圖及成果上不如三維那樣直觀和有空間感，從而對指導實際現場施工也會帶來一定的影響[1-2]。

GEOPAK Site是Bentley軟件公司旗下場地設計的專業三維軟件，它擁有一整套動態而又不失靈活的專門場地設計工具，廣泛地應用于各個行業的基礎工程，如房屋建筑的基坑開挖、渠道設計、公路設計及其水利樞紐工程的大壩基礎開挖等，其優秀的三角網算法和對計算機處理器的充分應用，顯著地減輕了設計人員復雜場地開挖圖設計的負擔，且其精準方便的工程量統計也為工程造價的精確計算打下了基礎。

文章借助GEOPAK Site 強大的三維模型處理能力，對浯溪口水利樞紐進行三維場地開挖輔助設計，整個設計過程較之傳統二維開挖圖設計更高效、準確、形象直觀，且工程量自動計算。取得了較好的設計成果。

1　概　述

GEOPAK是一款集成的土木工程三維設計軟件，工程場地主要使用GEOPAK Site模塊來實現場地的開挖、回填設計。在這款三維軟件中可以根據開挖對象的先后順序來實現工程的實際施工模擬，比常規二維的設計成果更加直觀，更具實用價值指導施工。

1)在通用設計平臺MicroStation中建立建筑物各部位三維模型(重力壩、廠房等)，將分部模型組裝完成后，提取建筑物與基礎接觸的特征輪廓線并結合地形、地質的三維數字模型，在GEOPAK中就可以實現場地的三維可視化設計。

2)將地質資料和數字地模導入GEOPAK中，并將建筑物的特征輪廓線投影到實際設計高程，然后按照給定設計坡比在原地形上進行放坡，修筑馬道等。

3)在建筑物基礎開挖有交集的地方，軟件可自動處理或者人工干預，進而防止重復計算開挖量。

基于GEOPAK Site 的輔助開挖設計主要流程有：①建立三維數字地面模型；②提取建筑物特征輪廓線；③確定開挖坡比、范圍、方案等；④調整及優化方案；⑤成果整理及三維抽圖、剖切出圖。

2　工程項目背景

浯溪口水利樞紐工程是一座以防洪為主，兼顧供水、發電等綜合利用的水利工程。樞紐總體布置沿軸線從左至右依次為：左岸碾壓混凝土非溢流壩段、表孔溢流壩段、低孔溢流壩段、廠房壩段、右岸碾壓混凝土非溢流壩段，重力壩最大壩高 46.80m，壩軸線總長498.62m。

溢流表孔單孔凈寬12.0m，共5孔，溢流低孔單孔凈寬12.0m，共6孔。廠房采用河床式布置，共3臺機，總裝機容量32.0MW (2×15MW+ 1×2.0MW)[5]。

3　GEOPAK Site三維開挖設計

首先在MicroStation 建立各部位三維模型，樞紐模型總裝完成后，搜集所需的測量資料(前期的DWG工程地形圖紙)，利用帶數據的等高線、高程點數據、河岸等特征線生成GEOPAK 可識別的tin(不規則三角網格)文件，見圖1。

將原地面模型的tin文件導入，并作為開挖設計的原地面(基準面)。將樞紐三維模型參考到開挖文件中(坐標系對應)，建立不同的開挖對象(大壩基坑、上壩公路等)，提取建筑物(重力壩及廠房等)與基礎接觸的特征輪廓線到當前設計模型，見圖2。

在特定的開挖對象中，將建筑物的特征輪廓線作為基本元素線并賦值到對應的設計高程，然后按照給定設計坡比及馬道高程進行放坡，依次類推，直到所有開挖對象完成。不同開挖對象的交叉根據設計者需求可以進行人工干預，也可讓軟件自動進行。

各個不同的構筑物因為所處位置及高程不同，所以開挖順序也不同。GEOPAK Site 中根據構筑物的施工順序創建不同的對象(Object)，所有對象隸屬于統一的場地開挖模型，通過編輯調整模型里對象的順序來模擬開挖施工順序，開挖完成后，進行工程量的統計。

本工程將基坑開挖、左、右岸上壩公路及進廠公路列為不同對象，對整個場地模型放坡，通過調整FIFO順序來實現開挖順序模擬，見圖3。

圖1　原始三維地形圖

圖2　建筑物外輪廓線

圖3　開挖順序模擬

利用GEOPAK Site開挖后的三維模型，可以迅速快捷統計相應開挖工程量，即使用查詢命令，通過三角網格差分法求解工程量。可以是開挖模型對原地面模型得出整體工程量，也可是開挖對象對原地面模型得到局部工程量，同時也可分高程得到詳細的工程量，見圖4～6。

圖4　開挖成果圖

圖5　樞紐開挖模型

GEOPAK Site三維開挖設計完成之后，根據需要對成果進行整理。由于GEOPAK Site儲存了三維開挖設計過程中的所有信息，所以根據需要可以在任意部位進行剖切提取開挖斷面圖；在頂視圖中投影提取開挖設計過程中的要素線、開挖邊界以及參考原地形圖生成開挖總體平面圖，后續根據出圖需求進行相應尺寸、高程標注，見圖7～8。將上述成果按照常規二維開挖圖出圖方式進行整理、歸類并最終形成設計圖紙。

圖7　利用三維開挖模型生成平面圖

圖8　剖切廠房壩段橫剖面

4　結　語

4.1優點

GEOPAK Site在Microstation 平臺的基礎上充分利用計算機的計算能力(三角網差分法)，給水利水電工程的場地設計，尤其是復雜的基坑開挖提供了巨大的支持：

1)GEOPAK Site 的計算精度在很大程度上依賴于于地形測量基礎數據以及設計工程師所選用的三角網格精度。相比于常規二維設計通過剖切典型斷面計算工程量，能夠更準確、迅速的計算工程量，更真實、形象地反應開挖、回填效果。

2)GEOPAK軟件有實時設計功能，即通過調整對應設計要素線，重新運算后，整個工程的模型隨著更新，使三維場地的開挖、回填變得更加直觀，重新運行工程量查詢命令可以得到更新后的工程量。

3)對于大范圍的場地平整,通過不斷調整場地要素線的設計標高，進而得到做到土石方的開挖平衡,大大的提高工作效率。

4)運用GEOPAK Site軟件進行輔助設計，能夠實時反映場地開挖的三維效果，形象的反映工程整體布置并高效的輔助實際場地開挖，在方案比選優化以及工程量統計上有著無與倫比的快捷，能夠更好地管理和組織后續施工。

5)此外，還可以根據三維模型的放坡邊界線得出工程的占地面積并指導應用于征地移民工作、檢查邊坡設計方案的合理性，進而避免過多的高邊坡出現。

4.2存在問題

分類區別計算土石方工程量時，需要區分不同的地層屬性，這就需要精細的地質資料。GEOPAK 是根據地質鉆孔數據并結合地形進行擬和，從而擬合生成地質層的。本項目三維設計開展過程中受實際條件限制，并未根據鉆孔擬合工程設計的三維地質模型，這就為基礎開挖、邊坡設計、工程量統計帶來不便，后期類似工程開展時，應建立基于三維地質的數字地面模型。

由于GEOPAK Site目前在國內水利水電行業的應用尚處于探索階段，一些標準跟國內行業的標準要求不盡相符。因此，很多后續的平面尺寸標注尚需用戶自定義，需耗費一定精力在后期成果整理及開挖圖出圖上。

4.3前景展望

三維可視化設計是水利水電設計行業的一個發展趨勢。隨著勘測設計工作的市場化，通過競爭業主對設計成果的質量要求將會越來越高，而工程設計周期卻越來越短。利用GEOPAK Site進行輔助設計，不僅可以快速地進行工程的方案優選比較，同時對設計方案的修改也能在很短的時間內及時反饋，尤其是在開挖及回填工程量的計算統計上。隨著市場的發展，GEOPAK Site后續出圖工具也將會越來越完善，越來越多適合國內水利水電行業的模塊也將會得到發展，從而使工作效率得到顯著的提高。

[1]孫程.基于GEOPAK Site 的三維開挖輔助設計[J].人民長江，2013，44(17):26-28.

[2]趙一新，李政鵬，屈志剛.GEOPAK在前坪水庫工程場地開挖的應用及工程優化[J].西北水電，2014 (05):97-99.

[3]蘇瑩瑩.GEOPAK軟件在奮斗水庫三維設計開挖中的應用[J].黑龍江水利科技，2014，42(4):41-42.

[4]虞松賓.淺談利用三維設計軟件計算某灌區渠道工程量[J].廣西水利水電，2009(6):64-67.

[5]江西省水利規劃設計院.江西省浯溪口水利樞紐工程初步設計報告[R].南昌：江西省水利規劃設計院，2012.

1007-7596(2016)05-0116-04

2016-03-10

翁發根(1985-)，男，河南信陽人，工程師，研究方向為水工結構設計。

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